潘建偉揭示量子計算發展三階段

胡定坤

2020年01月15日09:19  來源:科技日報
 

2019年,量子在人類科技進步中書寫了濃墨重彩的一筆。谷歌實驗証明了“量子優越性”,演示了量子計算具有超越經典超級計算機的計算能力。難道說,一場量子驅動的科技革命真的要來了?

日前,由智識學研社、知識分子、賽先生和墨子沙龍主辦,在北京召開的“2020年新年科學演講”就將目光聚焦在量子信息革命上,並邀請著名量子物理學家、中國科學技術大學教授潘建偉作了題為“從愛因斯坦的好奇心到量子信息革命”的演講。

第一次量子革命:被動觀測與應用

事實上,人類已經經歷過一次量子革命。那就是從1900年普朗克通過普朗克公式描述黑體輻射后提出量子論算起的百余年來,眾多物理學家通過對量子規律的觀測,成功構建起量子力學的物理大廈。

“正是第一次量子革命直接催生了現代信息技術。”潘建偉表示,基於量子力學原理,核能、半導體晶體管、激光、核磁共振、高溫超導材料等諸多應用問世,很大程度上改變了我們的生活。

潘建偉進一步解釋,有了半導體,才有現代意義上的通用計算機﹔為了向世界傳遞加速器數據,科學家們才發明了萬維網﹔量子力學構建起非常精確的原子鐘,才使GPS衛星全球定位、導航等成為可能。可以說,量子技術是現代信息技術的硬件基礎。

“一部手機當中,至少凝聚了8項諾貝爾獎成果。”潘建偉談到,其中很多與量子力學有關。例如,2000年,用於屏幕的導電聚合物獲諾貝爾化學獎,用於芯片的集成電路獲諾貝爾物理學獎﹔2007年,用於存儲器的巨磁阻效應獲諾貝爾物理學獎﹔2009年,用於相機的半導體成像器件獲諾貝爾物理學獎。

第二次量子革命:主動調控和操縱

潘建偉指出,科學家在對量子糾纏這一詭異的互動展開大量實驗研究的過程中,發展出精細的量子調控技術,而結合量子調控和信息技術,人類迎來了以量子信息技術為代表的第二次量子革命,從對量子規律被動的觀測和應用變成了對量子狀態的主動調控和操縱。這一飛躍,正如人類對生物學的認識從孟德爾遺傳定律跨越到DNA基因工程。

量子信息技術中的量子通信、量子計算能夠滿足信息技術發展至今對安全性的極高要求,和對計算能力的巨大需求。

“量子通信可以提供原理上無條件安全的通信方式。”潘建偉介紹,它的目標是要在更大的范圍裡實現安全的信息傳輸。它的發展路線是,先通過光纖實現城域量子通信,再通過中繼器建立城際量子通信網絡,最后通過衛星中轉實現網絡達不到的遠距離量子通信。

“量子計算的發展則要分為三個階段。”潘建偉認為,第一階段,就是谷歌實現的量子霸權,即針對一些特殊問題,造出一台比目前計算機更快的量子計算機,大概需要50個量子比特﹔第二階段,他們希望能夠操縱幾百個量子比特,實現一種專用的量子模擬機,用於高溫超導機制、特殊材料設計等目前計算機無法處理的問題﹔第三階段就是爭取未來二三十年,造出可編程的通用量子計算機。

“我們已經能夠實現100個甚至幾百個原子的糾纏,在一些模擬的問題裡,大概能夠達到全世界計算能力總和的100萬倍。”潘建偉透露,2020年,研究團隊計劃實現對50個光子的相關操縱,驗証量子霸權。其技術路線採用玻色取樣,相比谷歌更具優越性,預計計算速度將達到全球最強超級計算機“頂點(Summit)”的1億倍。在量子通信方面,他們計劃研制一台光鐘,精度達到10-21秒,大概10萬億年誤差不超過1秒鐘,這種技術也可以提供一種引力波探測的新途徑。

“經典計算機是決定論的,經典人工智能無論多麼聰明,我們覺得那還是一個機器人。”潘建偉總結道,但是量子力學第一次把觀測者的意識與物質的演化結合起來,量子計算機可能和人類的大腦有一些相通。人工智能是一種軟件技術,量子計算是硬件技術,人工智能和量子計算結合到一起的時候,其實是人類自己創造出了一個非生物體的“小孩”。

“從某種意義上來講,這個‘小孩’可能比我們更聰明,甚至可以超越人類的智慧。”潘建偉說。(記者 胡定坤)

(責編:趙春曉、呂騫)